Contexte

Prisma était une "mission technologique de démonstration en orbite" pour les technologies de vol en formation et de rendez-vous, ainsi que de tests en vol de technologies de senseurs et d'actionneurs. Cette mission faisait intervenir 2 micro-satellites Mango et Tango, volant en formation.

Le CNES a participé à la mission Prisma en tant que contributeur de l'expérimentation nommée "FFIORD" - Formation Flying In Orbit Ranging Demonstration.

Objectifs de la mission Prisma

L'objectif principal de la mission Prisma était d'effectuer des démonstrations technologiques et des expériences de manœuvres incluant le GNC (Guidage, Navigation et Contrôle) et des capteurs pour une famille de futures missions nécessitant des Rendez-Vous et/ou le Vol en Formation.

Ces démonstrations comprenaient :

• Des expériences de manœuvres GNC avec un important niveau d'autonomie incluant : le vol en formation autonome, le guidage autonome et le rendez-vous, les opérations de proximité, d'approche finale et d'éloignement. La plupart de ces expériences ont été menées par le SSC en s’appuyant principalement sur le système de GPS différentiel fourni par le DLR.
• Une expérience de système de navigation basé sur le GPS du DLR, qui a évalué les performances du GPS différentiel en temps réel comme capteur pour le vol en formation autonome.
• Une démonstration du Vision Based Sensor (VBS) basé sur un viseur d'étoiles, à évaluer en tant que capteur multi-distance de poursuite et de rendez-vous.
• Une démonstration du sous-système de métrologie FFRF (Formation Flying Radio Frequency) envisagé pour la mission Darwin et d’un ensemble de modules GNC permettant la réalisation de multiples expériences de rendez-vous et de vol en formation en s’appuyant sur cet équipement.

La mission Prisma comprenait un ensemble d'objectifs secondaires venant des programmes de l'Agence spatiale nationale suédoise (SNSA) et concernant différents développements dans les techniques des plateformes.

Ceux-ci comprenaient :

• Le système de propulsion 1-N HPGP (High Performance Green Propellant) développé conjointement par le SSC, Volvo Aero et FOI (Organisme de recherche pour la Défense suédois). Ce système de propulsion non toxique, de performances égales à celles de l'Hydrazine, a été développé avec le support de l'ESA.
• Des améliorations de fonctions de base de l'unité de gestion qui avait volé avec la mission Smart-1 (développé par le SSC) et des équipements de distribution d'énergie et de gestion des batteries de Smart-1 (développés par Omnisys à Gothenburg).
• De nouveaux développements de logiciel bord, pour lesquels l'utilisation de Matlab/Simulink et la génération de code (utilisés avec succès dans les applications centrales de Smart-1) allaient jusqu'à inclure entièrement la couche Gestion des Données.
• Le développement de Moyens Sol compatible du PUS et du CCSDS utilisés pour les tests et les opérations, avec une infrastructure flexible supportant des opérations multi-satellites.
• Un système de micropropulseurs à gaz froid développé par Nanospace AB.

Objectifs de l’expérience FFIORD

Le premier objectif de l'expérimentation FFIORD était de réaliser une première démonstration en orbite du sous-système FFRF. Dans un deuxième temps, l’objectif était d’utiliser cet équipement pour réaliser un ensemble d’opérations de rendez-vous et de vol en formation au moyen d’un logiciel GNC autonome développé spécifiquement par le CNES.

Cette démonstration se décomposait ainsi en 2 phases.

Validation en orbite du sous-système FFRF

La validation du sous-système FFRF consistait à réaliser des tests fonctionnels et à évaluer le senseur FFRF de manière à s'assurer que le comportement de l'instrument était conforme aux spécifications. Les tests fonctionnels se sont focalisés sur les points suivants :

• Acquisition du signal RF
• Procédure de levée d'ambiguïté (IAR : Integer Ambiguity Resolution)
• Gestion de l'énergie
• Gestion de l'antenne (manuelle ou automatique)
• Sélection du débit de données de communication
• Lien inter-satellites (ISL : Inter Satellite Link)

Ces tests ont été réalisés à diverses distances et attitudes relatives, en particulier pour l'acquisition du signal RF et pour la procédure IAR qui peuvent montrer une certaine sensibilité à ces paramètres. L'évaluation des performances a consisté à collecter les données dans des conditions géométriques et dynamiques qui couvraient la plus grande part possible du domaine de mesure du capteur FFRF (distance < 30 km, v <0.5 m/s, dq/dt < 5°/s).

Cette validation du sous-système FFRF a nécessité des sessions de travail tout au long de la mission. Ces sessions de travail se sont décomposés en deux groupes selon la disponibilité des ressources de Prisma :

• Le senseur FFRF était activé en tant qu'expérience secondaire afin de réaliser une collecte de données extensive en mode boucle ouverte
• Le senseur FFRF était activé en tant qu'expérience principale et le satellite principal devait suivre un profil d'orbite et d'attitude relatives spécifiques à FFIORD

Réalisation d’expériences de vol en formation et rendez-vous utilisant le capteur FFRF et le logiciel de bord CNES

Durant la mission nominale, les expériences de vol en formation basées sur la RF ont utilisé le logiciel de vol CNES dédié (FSW : Flight Software), et ont inclus les démonstrations suivantes :

• Opérations de proximité :
  • Maintien d'orbite à différentes distances et positions par rapport à la trace de l'orbite (VBAR)
  • Déplacements à faible vitesse dans le plan et hors du plan
• Rendez-vous
• Evitement de collision (transfert autonome vers l'orbite "Football" en 1 ou 2 manœuvres)
• Stand-by sur une orbite relative
• Retour à la normale après une anomalie système

La mission étendue a ensuite permis la réalisation de plusieurs démonstrations complémentaires :

• Rendez-vous de 10 km à 50 m en mode Navigation Basé Vision (utilisation de la seule caméra WAC pour la localisation relative)
• Approche de Mango à courte distance (20 m) puis transition entre la navigation basée FFRF et navigation basée Caméra

Déroulé du projet

Les deux satellites de la mission Prisma (Prisma et TARGET, respectivement appelés Mango pour main et Tango pour target) ont décollé le 15 juin 2010 à bord d’un lanceur Dnepr-1 en Russie. Il s’agissait d’une charge utile secondaire dans un lancement qui a également placé le satellite Picard sur orbite.

Les deux satellites ont été placés sur une orbite héliosynchrone quasi-circulaire avec une altitude de 710 km, un périgée à 668,3 km, une apogée à 749 km, une inclinaison de 98,2°, et une période de révolution de 99 min.

Le 12 août 2010, ils se sont séparés avec succès.

Le satellite cible Tango qui n’est pas manœuvrant a suivi son orbite inertielle initiale.

Le satellite chasseur Mango évolue autour de Tango pour simuler différentes étapes d'un scénario de Vol en Formation.

La première phase d'expérimentation s'est attachée à réaliser une succession de mouvements de séparation et d'approche contrôlés depuis le sol avec des vitesses relatives différentes de manière à économiser le carburant.

Les expériences de vol en formation ont été réalisées en boucle fermée. Ces expérimentations ont duré approximativement 17 jours.

Les systèmes impliqués dans l’expérience FFIORD se trouvaient sur les deux satellites. La mission de FFIORD était prévue pour durer environ 75 jours, sur les 8 mois prévus pour la mission Prisma.

Initialement prévue pour 10 mois la mission Prisma/FFIORD a été prolongée jusqu’en 2014 et s’est terminée en juillet 2014.

Organisation

Organisation Prisma

La mission a été financée par la SNSA (Swedish National Space Agency), ex-SNSB (Swedish National Space Board) en multi-partenariat avec le CNES, le DLR (Allemagne) et le DTU (Danemark).

Le maître d'œuvre était le SSC (Swedish Space Corporation), responsable de la conception, de l'intégration et des opérations des composantes spatiale et sol ainsi que de l'implémentation de ses propres expériences de Rendez-vous et Vol en Formation. Le SSC coordonnait également la mise en œuvre des expériences en orbite des partenaires CNES et DLR. Toutes les opérations en vol étaient contrôlées par le SSC via la station sol de Kiruna.

Organisation FFIORD

Le développement du sous-système FFRF a été financé conjointement par le CNES et le Centre de Développement de Technologie Industrielle espagnol (CDTI). La coopération entre le CNES et le CDTI était réglementée par un accord de coopération bilatéral.

Dans le cadre de cette coopération, le CNES était l'autorité technique principale et finançait les parties du sous-système RF réalisées par TAS-F, alors que le CDTI finançait les deux sous-traitants espagnols TAS-E et GMV. Les spécifications techniques et les exigences de planning pour les développements espagnols étaient fournies par TAS-F, bien que le CDTI ait passé un contrat direct pour ces réalisations.

Le CDTI reste propriétaire de tous les éléments qu'il a financé.

Un accord spécifique a été mis en place pour créer un cadre permettant l'échange de données brutes instrument et satellite entre le SSC, le DLR et le CNES dans Prisma.

Le CNES a utilisé les données brutes du GPS fournies par le SSC et le DLR pour valider le sous-système FFRF en comparant les orbites relatives fournies par les deux instruments.